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1996년 3월 시에나(Ciena)가 16채널 시스템을 도입하면서 DWDM(고주파수분할다중)이 등장한 지 거의 20년이 흘렀습니다. 지난 20년 동안 DWDM은 장거리 정보 전송에 혁명을 일으켰습니다. DWDM은 너무나 널리 보급되어 있어서, DWDM이 존재하지 않았던 시대, 지구 반대편에서 정보에 접근하는 데 비용이 많이 들고 느린 시대가 있었다는 사실을 종종 잊곤 합니다. 하지만 이제는 영화를 다운로드하거나 바다와 대륙을 가로질러 IP 전화를 거는 것을 아무렇지도 않게 생각합니다. 현재 시스템은 일반적으로 광섬유당 96개의 채널을 사용하며, 각 채널은 100Gbps로 작동할 수 있는 반면, 초기 시스템은 채널당 2.5Gbps였습니다. 이 모든 것을 통해 저는 종종 두 가지 혁신이 결합되어야 혁명을 일으킬 수 있다는 것을 생각하게 되었습니다. 개인용 컴퓨터는 레이저 프린터와 결합되기 전까지는 사무실 생활에 혁명을 일으키지 못했습니다. 마찬가지로, DWDM은 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA) 덕분에 엄청난 이점을 제공했습니다.
DWDM 은 Dense Wavelength Division Multiplexing의 약자로, 광자가 서로 상호 작용하지 않기 때문에(적어도 거의) 서로 다른 파장의 빛을 가진 서로 다른 신호들을 하나의 광섬유로 결합하여 반대편으로 전송하고, 분리하여 독립적으로 검출함으로써, 광섬유의 전송 용량을 채널 수만큼 증가시킬 수 있다는 것을 복잡하게 표현한 것입니다. 사실, 고밀도(Dense)가 아닌, 일반적인 WDM은 특수한 환경에서 2, 3 또는 4개의 채널을 사용하는 방식으로 한동안 사용되었습니다. 기본적인 DWDM 시스템을 구축하는 데 특별히 어려운 점은 없었습니다. 처음에 파장을 결합하고 분리하는 데 사용된 기술은 19세기에 고도로 개발된 박막 간섭 필터였습니다. (요즘에는 AWG(Arrayed Waveguide Gratings)라고 하는 광자 집적 회로가 이 기능을 수행하는 데 사용됩니다.) 하지만 EDFA가 등장하기 전까지는 DWDM의 이점이 크지 않았습니다.
광섬유 데이터 전송은 1970년대에 특정 유리가 근적외선 스펙트럼 영역에서 광 손실이 매우 낮다는 사실과, 이러한 유리를 광섬유로 가공하여 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 빛을 유도하고, 손실과 분산으로 인해 손실은 줄어들지만 손실은 최소화하는 광섬유를 개발하면서 시작되었습니다. 광섬유, 레이저, 검출기의 발전으로, 신호를 "재생"하기 전까지 80km까지 광 정보를 전송할 수 있는 시스템이 구축되었습니다. 재생은 빛을 감지하고 전자 디지털 회로를 사용하여 정보를 재구성한 다음 다른 레이저로 재전송하는 과정을 포함합니다. 80km는 현재의 "가시선" 마이크로파 전송 시스템이 도달할 수 있는 거리보다 훨씬 더 먼 거리였으며, 광섬유 전송은 광범위하게 도입되었습니다. 80km는 상당한 개선이었지만, LA와 뉴욕 사이에는 여전히 많은 재생 회로가 필요했습니다. 80km마다 채널당 하나의 재생 회로가 필요했기 때문에 재생은 광 전송의 제한 요소가 되었고 DWDM은 그다지 실용적이지 않았습니다. 당시 비싼 필터는 재생 전에 각 채널의 빛을 분리하고, 재생 후에 채널을 다시 결합하기 위해 80km마다 사용해야 했습니다.
완전 재생에는 많은 비용이 들었기 때문에 연구자들은 광섬유 전송 시스템의 도달 범위를 확장할 다른 방법을 모색하기 시작했습니다. 1980년대 후반, 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)가 등장했습니다. EDFA는 에르븀 원자로 도핑된 광섬유로 구성되어 있으며, 다른 파장의 레이저로 펌핑하면 1550nm 파장 근처의 대역에서 빛을 증폭하는 이득 매질을 생성합니다. EDFA는 광섬유의 광 신호를 증폭시켜 광 손실의 영향을 상쇄할 수 있었지만, 분산 및 기타 손상의 영향을 보정할 수는 없었습니다. 실제로 EDFA는 증폭된 자발 방출(ASE) 잡음을 생성하고 장거리 전송에서 광섬유 비선형성 왜곡을 유발할 수 있었습니다. 따라서 EDFA는 재생의 필요성을 완전히 없애지는 못했지만, 재생이 필요하기 전에 신호가 80km 이상 전송될 수 있도록 했습니다. EDFA가 완전 재생보다 저렴했기 때문에 당시 널리 사용되던 1300nm 대신 1550nm 레이저를 사용하는 시스템이 빠르게 설계되었습니다.
그러다가 "아하!" 하는 순간이 왔습니다. EDFA는 들어오는 광자를 복제하고 동일한 파장의 더 많은 광자를 내보내므로, 두 개 이상의 채널을 동일한 EDFA에서 크로스토크 없이 증폭할 수 있었습니다. DWDM을 사용하면 하나의 EDFA로 광섬유의 모든 채널을 동시에 증폭할 수 있으며, 이때 채널들이 EDFA 이득 범위 내에 있어야 합니다. DWDM은 광섬유뿐만 아니라 증폭기도 여러 용도로 사용할 수 있게 해 주었습니다. 각 채널마다 하나의 재생 회로가 필요했던 것이 이제는 광섬유마다 하나의 EDFA가 되었습니다. 40~100km마다 하나의 증폭기 체인을 구성하면 96개의 서로 다른 데이터 스트림을 지원할 수 있습니다. 누적된 EDFA ASE 노이즈가 디지털 신호 프로세서와 오류 정정 코덱이 처리할 수 있는 임계값을 초과하면 오늘날에도 1,200~3,500km마다 재생기가 필요합니다.
물론, EDFA의 이득 영역이 스펙트럼 폭 약 40nm로 제한되었기 때문에, 서로 다른 광 파장을 최대한 가깝게 배치하는 데 큰 중점을 두었습니다. 현재 시스템은 채널 간격을 50GHz, 즉 약 0.4nm로 배치하고 있으며, 많은 실험들이 그보다 훨씬 더 넓은 범위를 다루었습니다.
동시에, 다른 블로그 게시물에서 다룬 코히어런트 기술을 사용하여 새로운 기술이 채널당 대역폭을 100Gbps까지 증가시켰습니다. 1990년대 초에는 단일 광섬유가 2.5Gbps의 정보를 전송했지만, 이제는 초당 거의 10테라비트의 정보를 전송할 수 있으며, 지구 반대편에서도 영화를 볼 수 있습니다.
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